一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法技术

本发明专利技术提供一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，包括步骤1，搭建正交槽铣平台；步骤2，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验；步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ

【技术实现步骤摘要】
一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法


[0001]本专利技术涉及韧性金属材料切削的
，更具体地说，涉及一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法。

技术介绍

[0002]对于韧性金属材料，随着切削速度的增加，切屑形貌会从连续形转变为锯齿形。锯齿状切屑的特征为塑性流动不均匀，变形集中在平面带上，而带之间的区域仅有轻微变形。这种特殊的几何特性有利于切屑的破碎和去除，但往往会引起较大的切削力波动，导致工件表面光洁度、刀具寿命和加工零件精度下降。因此，在加工韧性金属材料时，预测出锯齿状切屑的临界切削条件，对于控制表面完整性和工具磨损率具有实际意义。
[0003]锯齿状切屑形成的原因已引起广泛关注。迄今为止，锯齿状切屑的形成有两种主要的理论，即周期性断裂理论和绝热剪切理论。前一种理论认为，与刀具的前进同步的周期性裂纹扩展是锯齿状切屑的主要形成机理。后一种理论认为，锯齿化切屑与主剪切区内反复发生的热塑性剪切不稳定性有关。通常，具有良好热物理特性的韧性金属材料有利于绝热剪切局部化机制，该材料具有在切割过程中促进初始变形区温度升高的作用。
[0004]根据绝热剪切理论，现在常用的许多分析模型都能确定切屑形成过程中绝热剪切失稳的临界切削条件。这些模型包括：基于工件材料应力
‑
应变曲线内最大应力的模型；基于剪切带中的剪切应力与工件材料的剪切强度之间比较的模型；基于扰动分析的模型；基于将流动定位参数与实验获得的临界值相比较的模型等。这些建模框架从不同的角度为锯齿状切屑的产生提供了有价值的理解。但是对于大多数研究者所提出的模型，通常需要绝热剪切带内与温度相关的材料特性和相应的温度来计算各个判断标准中的临界参数，这通常涉及额外的复杂分析计算，而计算结果却难以验证。
[0005]不同于分析模型的是，有限元建模(FEM)可以更直观地了解切屑形成过程中发生的物理特性，例如应力和应变率分布，温度场和切屑几何形状等。近二十年来，有限元建模的方法也被广泛应用于预测锯齿切屑发生的临界切削条件。然而，为了保证有限元预测的准确性，必须预先确定和验证工件材料的本构模型、刀
‑
屑摩擦模型和切屑断裂模型的参数。此外，这种方法会消耗冗长和昂贵的计算资源，才能模拟在一组切削参数下的切屑形成过程。在预测锯齿化切屑的形成条件时，对于新开发的工件材料或者在复杂的切削工况下，有限元方法便不利于进行广泛的应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，该方法可预测韧性金属材料出现锯齿化切屑的临界切削条件，优化了获得切削力参数的获取途径，使得预测模型中所需的实验测力次数大大减小，同时对预测结果提供了验证方法，保证了预测结果的准确性及精度要求，减小了实验中所需投入的时间及人力成本，在一定程度上增加了实验效率。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术通过下述技术方案予以实现：一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：包括：
[0008]步骤1，搭建正交槽铣平台；
[0009]步骤2，在正交槽铣平台上，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验，收集铣削力数据F
x
和F
y
，并计算主切削力F
c
和径向切削力F
t
；
[0010]步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ
d
，得到动态屈服应力与铣削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ
d
最大处所对应的切削速度为临界切削速度V
p
；
[0011]步骤4，采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，收集每组加工参数下的切屑，选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度；
[0012]步骤5，将步骤3中Williams模型预测的临界切削速度V
p
与步骤4中车削实验测得的临界速度作比较，求出预测模型的相对误差，若相对误差在设定的误差范围内，则临界切削速度V
p
作为该韧性金属材料的临界切削速度。
[0013]步骤1中，所述正交槽铣平台包括安装在铣床工作台上的工装夹具、安装在立式铣床上的槽铣刀、韧性金属材料工件、测力仪、电荷放大器、数据采集卡和控制器；
[0014]所述工件安装在工装夹具上，槽铣刀用于对工件进行正交槽铣加工；所述测力仪安装在工装夹具上并与电荷放大器连接；所述电荷放大器通过数据采集卡与控制器连接。
[0015]所述槽铣刀为双刃直刃槽铣刀；所述槽铣刀角度分别是：前角γ0为10
°
，间隙角α0为8
°
，刃倾角λ
s
为0
°
，主偏角K
r
为90
°
，刀尖角半径R
n
为0.02mm。
[0016]所述测力仪类型为压电三分量测功机。
[0017]所述压电三分量测功机的型号为Kistler 9129AA或Kistler 9265b。
[0018]步骤4中，所述选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度是指：选取每组样品中典型的切屑样品分别用环氧树脂镶样并打磨抛光，再用该韧性金属材料相对应的一定浓度的腐蚀液进行腐蚀处理，最后用光学显微镜观察切屑的截面形貌，分析判断韧性金属材料发生锯齿化转变的临界速度，其中判断锯齿化转变的依据是截面中出现绝热剪切带。
[0019]步骤4中，车削加工实验采用切削机床对韧性金属材料进行加工实验，切削机床刀具角度的参数为：前角γ0为10
°
，间隙角α0为8
°
，刃倾角λ
s
为0
°
，主偏角K
r
为90
°
，刀尖角半径R
n
为0.02mm。
[0020]步骤2中，主切削力F
c
和径向切削力F
t
的计算公式为：
[0021][0022]其中，θ为刀具的旋转角度。
[0023]步骤3中，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ
d
，得到动态屈服应力与铣削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ
d
最大处所对应的切削速度为临界切削速度V
p
是指：
[0024]根据Williams理论，滑移面上的力学方程为
[0025][0026]其中，σ
d
为剪切变形区的屈服应力，a
c
是未切削层厚度，K
c
是工件材料的断裂韧性，F
c
表示主切削力，F
t
是径向切削力，a
c
/sinφ是剪切平面的长度，φ是剪切平面与切削速度方向间的剪切角；(F...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：包括：步骤1，搭建正交槽铣平台；步骤2，在正交槽铣平台上，采用预设好的加工参数对韧性金属材料进行正交槽铣加工实验，收集铣削力数据F
x
和F
y
，并计算主切削力F
c
和径向切削力F
t
；步骤3，根据Williams模型求出韧性金属材料的动态屈服应力σ
d
，得到动态屈服应力与铣削速度之间的关系，并取动态屈服应力σ
d
最大处所对应的切削速度为临界切削速度V
p
；步骤4，采用正交槽铣加工实验中相同的加工参数对韧性金属材料进行车削加工实验，收集每组加工参数下的切屑，选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度；步骤5，将步骤3中Williams模型预测的临界切削速度V
p
与步骤4中车削实验测得的临界速度作比较，求出预测模型的相对误差，若相对误差在设定的误差范围内，则临界切削速度V
p
作为该韧性金属材料的临界切削速度。2.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤1中，所述正交槽铣平台包括安装在铣床工作台上的工装夹具、安装在立式铣床上的槽铣刀、韧性金属材料工件、测力仪、电荷放大器、数据采集卡和控制器；所述工件安装在工装夹具上，槽铣刀用于对工件进行正交槽铣加工；所述测力仪安装在工装夹具上并与电荷放大器连接；所述电荷放大器通过数据采集卡与控制器连接。3.根据权利要求2所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述槽铣刀为双刃直刃槽铣刀；所述槽铣刀角度分别是：前角γ0为10
°
，间隙角α0为8
°
，刃倾角λ
s
为0
°
，主偏角K
r
为90
°
，刀尖角半径R
n
为0.02mm。4.根据权利要求2所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述测力仪类型为压电三分量测功机。5.根据权利要求4所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：所述压电三分量测功机的型号为Kistler 9129AA或Kistler 9265b。6.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤4中，所述选取每组样品中典型的切屑样品进行处理，通过分析判断材料发生锯齿化转变的临界速度是指：选取每组样品中典型的切屑样品分别用环氧树脂镶样并打磨抛光，再用该韧性金属材料相对应的一定浓度的腐蚀液进行腐蚀处理，最后用光学显微镜观察切屑的截面形貌，分析判断韧性金属材料发生锯齿化转变的临界速度，其中判断锯齿化转变的依据是截面中出现绝热剪切带。7.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤4中，车削加工实验采用切削机床对韧性金属材料进行加工实验，切削机床刀具角度的参数为：前角γ0为10
°
，间隙角α0为8
°
，刃倾角λ
s
为0
°
，主偏角K
r
为90
°
，刀尖角半径R
n
为0.02mm。8.根据权利要求1所述的韧性金属材料临界切削条件的预测方法，其特征在于：步骤2中，主切削力F
c
和径向切削力F
t
的计算公式为：其中，θ为刀具的旋转角度。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁良，林国志，何林，袁建东，谭欢恒，姜治康，姜长城，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：